DE2232576A1

DE2232576A1 - Optisches geraet, insbesondere okulometer

Info

Publication number: DE2232576A1
Application number: DE2232576A
Authority: DE
Inventors: Kenneth Anthony Mason
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1971-07-06
Filing date: 1972-07-03
Publication date: 1973-01-18
Also published as: US3746432A; AU4361572A; NL7209233A; CA950658A; FR2145249A5; IT958655B; GB1380355A

Description

02-4521 Ge 30. Juni 1972

HONEYWELL INC.
2701 Fourth Avenue South Minneapolis, Minn., USA

Optisches Gerät, insbesondere Okulometer-

Die Erfindung betrifft ein optisches Gerät mit einer Blende, die einem auf eine lichtempfindliche Abtastvorrichtung geworfenen Bild nur dann eine charakteristische Form gibt, wenn das Strahlenbündel nicht genau auf die Abtastvorrichtung fokussiert ist, und mit einer der Abtastvorrichtung zugeordneten Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines der Größe und Richtung der Fehlfokussierung entsprechenden Signals. Um sicherzustellen, daß das Ausgangssignal eines Okulometers tatsächlich die Blickrichtung des Auges kennzeichnet,ist es wichtig, daß der das Auge abtastende Strahl genau auf die lichtempfindliche Schicht der Abtastvorrichtung fokussiert ist und bleibt. Durch Messung von Größe und Richtung jeglicher Fehlfokussierung des Strahls auf der Abtastfläche ist es möglich, Betrag und Richtung einer zur Wiederherstellung der Fokussierung erforderlichen Korrektur zu ermitteln. Diese Korrektur kann entweder durch Verändern der Länge des Strahlenweges zwischen Auge und Okulometer oder durch in den Strahlenweg, vorzugsweise innerhalb des Okulometers ,eingeschaltete Fokussiermittel, insbesondere Linsen, erfolgen .

Die ältere Patentanmeldung P 22 00 664.0 beschreibt eine hierfür geeignete selbsttätige Fokussiervorrichtung, bei der ein von einer Lichtquelle erzeugter kreisförmiger Leuchtfleck längs der optischen Achse des Okulometers durch eine Blende mit nicht kreisförmiger Blendenöffnung hindurch auf eine lichtempfindliche Abtastvorrichtung projiziert wird und die Abtastvor-

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richtung durch kreisförmiges Abtasten dieser Abbildung ein vom Umriß der Abbildung abhängiges Ausgangssignal an eine Steuervorrichtung liefert, welche an einen Eingang einer die Scharfeinstellung der Abbildung beeinflussenden Einstellvorrichtung angeschlossen ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Aufwand an elektronischen Mitteln gegenüber dem älteren Lösungsvorschlag zu verringern, welcher zum großen Teil aus der Verwendung einer nicht kreisförmigen Blendenöffnung herrührt.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe dadurch, daß die Blende mit vorgegebener Frequenz und Amplitude quer zur Strahlungsrichtung schwingt und die Schaltungsanordnung auf Schwingungen der Abbildung auf der Abtastvorrichtung anspricht, wobei Größe und Phasenlage des aus den Schwingungen der Abbildung abgeleiteten Signals dem Betrag und der Richtung der Pehlfokussierung entsprechen .

Bei einem Okulometer mit einer Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines von der Blickrichtung eines Auges abhängigen Signals ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß ein Synchrondemodulator die der Schwingfrequenz der Blende entsprechenden Signalkomponenten abtrennt und hieraus ein der die Fehlfokussierung bewirkenden Verschiebung des Auges in Strahlungsrichtung entsprechendes Ausgangssignal abgeleitet wird. Die Abtastvorrichtung tastet die Abbildung vorzugsweise kreisförmig ab und ist mit einer Zentrieranordnung ausgestattet, die das Zentrum des Abtastkreises im Zentrum der Abbildung hält. Dabei ist die Schwingfrequenz der Blende wesentlich höher als die Ansprechgeschwindigkeit der Zentrieranordnung.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Blendenöffnung sehr dicht an der Fokussierlinse des Okulometers angeordnet, hat einen kleineren Durchmesser als das durch die Fokussierlinse tretende Strahlenbündel und schwingt

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mit einer solch geringen Amplitude, daß die Blendenöffnung niemals vollständig aus dem Strahlenbündel herausbewegt wird.

Dann erzeugt die Schwingung der Blendenöffnung solange kein Ausgangssignal, wie das Auge sich in einer solchen Entfernung von der Fokussierlinse befindet, daß die Abbildung auf die lichtempfindliche Abtastvorrichtung fokussiert ist. Bewegt sich das Auge jedoch zu dicht an die Fokussierlinse heran oder zu weit von dieser weg, so enthält das Ausgangssignal des Okulometer s eine Komponente mit der Schwingfrequenz der Blendenöffnung. Die Phasenlage dieser Signalkomponente hängt von der Richtung der Fehlfokussierung ab. Diese Signalkomponente wird vorzugsweise mit einem Synchrondemodulator aus dem komplexen , Okulometerausgangssignal abgetrennt und zur Steuerung eines Fokussierungsanzeigers benutzt. Sie kann stattdessen auch auf eine selbsttätige Fokussiervorrichtung einwirken, welche die exakte Fokussierung der Abbildung auf die Abtastvorrichtung wieder herstellt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels eines Qkulometers mit einer Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines der Größe und Richtung einer etwaigen Fehlfokussierung entsprechenden Signals erläutert.

Wach der Zeichnung sendet eine Beleuchtungsvorrichtung 10 ein . Strahlenbündel einer Wellenlänge jenseits des sichtbaren Spektrums über einen Strahlenteiler 11, der einen Teil des Strahles reflektiert, auf das Auge 12 eines Beobachters. Das Auge 12 reflektiert wiederum einen Teil der Strahlenenergie als divergierendes Bündel. Dieses reflektierte Strahlenbündel passiert den Strahlenteiler entlang der optischen Achse 13 und trifft auf eine Linse 14, die das Strahlenbündel auf der Photokathode 15 eines Bildabtasters fokussiert. Ein in Bildabtaster verwendeter Photovervielfacher

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verstärkt die auf die Photokathode 15 einfallende Strahlung und gibt ein ihr proportionales Aus gangs signal an eine Leituncr

20 ab. Der Bildabtaster 16, der von einem StromversorgungsgerMt

21 gespeist und fokussiert wird, verwendet ein Ablenkspulenpaar

22 und 23, deren Zentrierspannung ebenfalls das Stromversorcmngsgerät 21 liefert.

Das Okuloraeter besitzt, obwohl in der Zeichnung nicht dargestellt und nicht beschrieben, zusätzlich zu dem Kanal zur Verfolgung der Reflexion der Hornhaut sowohl ein ^T'anal zur Verfolgung des Zentrums der Pupille des Auges als auch Komponenten, die der Erfassung der an der Pupille und der Hornhaut reflektierten Signale dienen und ein Blinzeln des Beobachterauges als störende Beeinflussung des Systems vermeiden. Diese und andere Verbesserungen stehen nicht in direkter Beziehung zur Erfindung und werden daher nur angedeutet.

Zveckir.äßicrerweise beschreibt man die Augenbewegungen des Beobachters in einem zweidimensionalen kartesischen Koordinatensystem, wobei nach der Zeichnung, die horizontale Komnonente der Bewegung auf der X-Achse und die vertikale Komponente auf der Y-Achse dargestellt werden. Die beiden Ablenkspulen 22 und 23 sind so angeordnet, daß die Spule 22 in Richtung der X-Achse und die Spule 23 in Richtung der Y-Achse ablenkt.

Das Ausgangssignal des Bildabtasters 16 wird der Okulometerelektronik 24 zugeführt, die aus einem Verstärker 25 besteht, der Eingangssignale über die Leitung 20 erhält, und dessen Ausgangssignale über die Leitungen 26, 27 und 30 einem Paar außer Phase arbeitenden Synchronschaltern 31 und 32 zugeführt werden. Diese Schalter werden mit 90° Phasenverschiebung von einer Niederfrequenz-Spannungsquelle über die Leitungen 33 und 34 bzw. 35 und betätigt. Die Schalter 31 schalten abwechselnd einen Differentialverstärker 40 über die Leitungen 41 und 42, während die Schalter

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32 über die Leitungen 44 und 45 Im Wechsel einen Differentialverstarker 43 betätigen. Der Differenzialverstärker 40 ist über eine Leitung 46 reit einem Integrator 47, über Leitungen 50 und 51 mit einer Anzeigevorrichtung 52 und über Leitungen 50 und 53 mit einer Treiberstufe 54 für die Ablenkspule 23 verbunden. Der Differentialverstärker 43 Ist über eine Leitung 55, einen Integrator 56 und über Leitungen 57 und 60 an eine Anzeigevorrichtung 61 und über Leitungen 57 und 62 an eine Treiberstufe 63 für die Ablenkspule 22 angeschlossen.* Die beiden Treiberstufen 54 und 63 speisen die Ablenkspulen 23 und 22. Die Treiberschaltungen 54 und 63 bewirken über die Leitungen 34 und 66 bzw. 35 und 67 von der Miederfrequenz-Spannungsquelle 37 gesteuert, mit Hilfe der Ablenkspulen22 und 23 eine RundbIld^L abtastung. Die gerade beschriebene vorrichtung entspricht einem herkömmlichen Okulometer.

Um festzustellen, ob sich das Auge 12 aus einer Stellung, in welcher das von ihm reflektierte Strahlenbündel durch die Linse 14 genau auf die Photokathode 15, fokussiert ist, herausbewegt, wird eine Blende 7O mit einer Öffnung 71 in den Strahlengang zwischen dem Auge 12 und der Photokathode 15 und dort wiederum nahe der Linse 14 und dem Strahlenteiler 11 angebracht. Stattdessen kann die Blende zwischen Linse 14 und Photokathode 15 angeordnet werden. Der Durchmesser der Öffnung 71 ist kleiner als der Durchmesser des am scharf gebündelten Strahls, der auf die Blende auftrift. Infolgedessen 1st ihr effektiver Durchmesser kleiner als der Durchmesser der Linse 14_f so daß nur ein Teil des Strahls durch die öffnung 71 der Blende 7O die Photokathode 15 erreicht.

Ein Vibrator 73, der aus einer Stimmgabel besteht und über die Leitungen 75 und 76 von einer Niederfrequenz—Spannungscruelle anaeregrt wird, versetzt die Blende 70) In longlttidinale Sehwlngunaera. In deren Schwinqungsebene äle. X-Achse des Koordinatensystems liegt. Die mechanische ^erbiradiang zwischen der Blende und dem Vibrator 73 Ist In der Zeichnung? ättrcti r*Ime qrestrlchelte

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Linie 72 angedeutet. Die Spanmings quelle 74 betätigt über
die Leitungen 75 und 77 ein Paar synchroner Schalter 80.
Das Ausgangssignal des Verstärkers 43 wird über die Leitungen ' 57 und 58 den Schaltern 80 zugeführt, die über Leitungen 83 bzw. I 84 wechselweise einen Differentialverstärker schalten. Der Verstärker 82 ist über eine Leitung 85 mit einer Anzeigevorrichtung \ 86 verbunden.

Solange der Strahl in die Bildebene, die durch die Photokathode
15 festgelegt wird, fokussiert ist, bewirkt die Vibration der
öffnung 71 nahe der Linse 14 keine Spannungsänderung an der \ Photokathode 15. Tritt durch eine Bewegung des Auqes 12 relativ ί zum Gerät eine Fehlfokussierung des Strahles auf, dann erzeugt ^: die Vibration der öffnung 71 eine Schwingung des Strahles in der ^f Bildebene, also auf der Photokathode 15, und bewirkt dadurch am | Photovervielfacher 17 ein Ausgangssignal, das eine zusätzliche
Komponente mit der Frequenz der Niederfrequenz-Spannungsquelle
74 enthält. Diese Komponente ändert ihre Größe mit dem Betrag der ; Fehlfokussierung des Strahles, während ihre Phase relativ zur
Niederfrequenz-Spannungsquelle 74 durch den Richtungssinn der :

Defokussierung bestimmt wird. Diese Komponente wird in den Schal- j tungsgruppen 25, 32, 43 und 56 nicht unterdrückt sondern durch
die Schalter 80 erfasst und im Verstärker 82 in ein Signal umgeformt, das über die Leitung 85 auf der Anzeigevorrichtung 86 zur
Darstellung kommt und dem Richtungsinn und Betrag der durch.die
Bewegung des Auges verursachten Fehlfokussierung entspricht.

Das auf der Leitung 85 liegende, der Fehlfokussierung entsprechende Signal wird über eine einfache geometrische Formel in
Beziehung zur linearen Abweichung des Auges relativ zum Gerät
gesetzt. Bei Erfordernis steuert dieses Signal einen Leistungsverstärker, der die Linse 14 so lange axial verstellt,bis das
Signal Hull wird und damit die Fokussierung wieder hergestellt

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ist. Die zu diesem Ausgleich erforderliche Korrektur ist dann ein direktes Haß für die Linearverschiebung des Auges und schaltet überdies alle Ungenauigkeiten des Systems, die durch Augenbewegungen bedingt sind, aus/

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung hat die öffnung 71 einen Durchmesser von -3, IS mm und liegt dicht an der Linse 14, deren Durchmesser 6,36 mm beträgt, an. Die Stimmgabel mit einer maximalen Amplitude von 3,18 mm schwingt mit 30 Hz quer zur optischen Achse. In diesem Ausführungsbeispiel arbeiten die Niederfrequenz-Spannungsquelle 37 und die Rundbild-Abtastung beide mit einer Frequenz von 2000 Hz.'

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Claims

Patentansprüche

l.y Optisches Gerät mit einer Blende, die einem auf eine lichtempfindliche Abtastvorrichtung geworfenen Bild nur dann eine charakteristische Form gibt, wenn das Strahlenbündel nicht genau auf die Abtastvorrichtung fokussiert ist, und mit einer der Abtastvorrichtung zugeordneten Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines der Größe ixnd Richtung der Fehlfokussierung entsprechenden Signals? dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (70,71) mit vorgegebener Frequenz und Amplitude quer zur StraLlungsrichtung schwingt und die Schaltungsanordnung auf Schwingungen eier Abbildung auf der Abtastvorrichtung anspricht, wobei Größe, und Phasenlage des aus den Schwingungen der Abbildung abgeleiteten Signals dem Betrag und der Richtung der Fehlfokussierung entsprechen.
2. Als Qkulonvriter ausgebildetes optisches Gerät nach Anspruch 1 mit einer Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines von der Blickrichtung eines Auges abhängigen Signals, dadurch gekennzeichnet, daß sin Demodulator (80-84) die der Schwingfrequenz der Blende entsprechenden Signalkomponenten abtrennt und hieraus ein der die Fehlfokussierung bewirkenden Verschiebung des Auges in Strahlungsrichtung entsprechendes Ausgangssignal ableitet.

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Okulometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastvorrichtung das auf ihr abgebildete Bild kreisförmig abtastet und eine Zentrieranordnung aufweist, die das Zentrum des Abtastkreises im Zentrum der
Abbildung hält, und daß die Schwingfrequenz der Blende wesentlich höher ist als die Ansprechgeschwindigkeit der Zentrier-

j anordnung.

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